新丰江水库流域GPM IMERG降水产品评价及水文效用研究外文翻译资料

 2023-03-15 11:03

新丰江水库流域GPM IMERG降水产品评价及水文效用研究

关键词：卫星降水产品，GPM-IMERG，变入渗透能力模型，水文效用，北江流域

对最新一代卫星降水产品（SPPs）进行评估是大规模使用前的重要步骤。以北江流域为例，采用九项统计评价指标和可变渗透性（VIC）分布式水文模型，对3种全球降水测量(GPM)集合多卫星反演(IMERG)产品的性能和水文效用进行定量评价：2014-2015年期间，华南地区近实时“早期”运行和“晚期”运行的IMERG产品（IMERG-E和IMERG-L）和后实时“最终”运行的IMERG产品（IMERG-F），与上一代热带降雨测量任务（TRMM）多卫星降水分析（TMPA）3B42-V7产品进行比较。IMERG-F具有令人满意的精度，其相关系数为（CC）0.63，相对偏差（0.92%），而IMERG-E和IMERG-L与地面观测的相关性相对较差（CC分别为0.49和0.52）。三种IMERG产品的探测率（POD）明显较高，其为0.64–0.67，但空报率（FAR）比3B42-V7高出0.14。情景Ⅰ下的水文模拟（通过仪表观测校准的模型）表明，IMERG-F的纳什效率系数（NSCE）高达0.742，其水文性能优于3B42-V7；IMERG-E和IMERG-L在整个模拟期间表现不佳，NSCE低于0.35，相对偏差高于28%，而在汛期表现令人满意，NSCE明显较高，分别为0.750和0.733。情景II下的水文模拟（由3B42-V7校准的模型）表明，所有IMERG产品的性能都得到了显著改善。总体而言，IMERG-F具有较高的精度和良好的水文效用，而IMERG-E和IMERG-L产品在汛期具有令人满意的水文效用，因此在洪水预报等实时应用方面具有很大潜力。与早期运行的IMERG-E相比，后期运行的IMERG-L在性能上几乎没有改进，因此，建议首先考虑更及时的IMERG-E。

近十年来，随着遥感技术和基于卫星的检索算法的快速发展，基于卫星的降水产品（SPPs）通过卫星传感器定量测量降水量，已成为重要的降水数据来源(Hobouchian et al.，2017)。目前，有一系列SPPs，例如利用人工神经网络（PERSIANN）从遥感信息中估算降水量（Hsu，1997），气候预测中心（CPC）变形技术（CMORPH，Joyce等，2004），热带降雨测量任务多卫星降水分析（TMPA，Huffman等，2007，2009）和全球降水量测量（GPM）（Hou等人，2014年）可供公众使用，大大丰富了备选降水数据源。SPPs通常具有全球覆盖（大于50°N-S纬度带）和高时空分辨率（高于0.25°空间分辨率和每日时间分辨率），有效地弥补了传统仪器观测的不足，例如，陆地表面稀疏和不均匀分布(Alexandri et al，2017)。正是由于这些优势，SPP在水文模拟、灾害预测、水资源管理等领域得到了广泛的应用。(苏等人，2008年；勇等人，2010年；蒋等人，2012年；李等人，2012年；李等人，2014年；童等人，2014年；赵和亚塔盖，2014年；勇等人，2014年；乔等人，2014年；赵等人，2015年；萨特盖等人，2016年；孙等人，2016年)。

在GPM出现之前，TMPA 3B4200(以下简称3B42)产品因其在众多SPP中性能最好而被认为是应用最广泛、最可靠的SPPs(Tong et al.，2014;Sun等人，2016)。该产品是由美国国家航空航天局（NASA）于1997年底发射的热带降雨测量任务（TRMM），在50°N-S纬度带之间，具有0.25°times;0.25°的空间分辨率和3小时的时间分辨率。它已于2012年更新为最新版本7，由两个产品组成：近实时3B42RT（以下简称3B42RT）产品和后处理3B42-V7（以下简称3B42-V7）产品。这两种产品分别提供了不太准确的近实时和更准确的后实时预测。在17年的运行期间，TMPA不仅提供了大量全球降水数据，而且为下一代GPM产品积累了足够的经验和技术。

作为TRMM的后续，GPM任务在2014年初由NASA和JAXA发射，目的是提供比TMPA系列更好更准确的全球降水估计。GPM卫星星座由一颗核心观测卫星和大约十颗合作卫星组成，配备了最新的双频降水雷达（DPR）、锥形扫描多通道GPM微波成像仪（GMI）和许多其他先进仪器。与TRMM相比，GPM卫星的主要改进如下：1）GPM卫星轨道倾角从35°增加到65°，扩大了覆盖面积，减少了传感器采样；2)降水雷达升级为双频率，对弱降水更加敏感；3）扩展了被动微波(PMW)成像仪的通道，便于对光和固体降水进行传感(Huffman et al，2014)。因此，GPM提供更大的覆盖范围、更高的时空分辨率和更准确可靠的降水和降雪估算产品，特别是在高纬度和高程地区。与TRMM类似，GPM产品根据不同的算法分为四个级别。在这项研究中，我们重点研究了GPM（IMERG）产品的三级综合多卫星检索（Huffman et al.，2012），其目的是在精细的空间和时间尺度上对卫星降水量估计、降水测量仪分析和其他潜在的降水数据源进行相互校准、合并和插值。GPM IMERG产品现可以在在NASA网站（pmm.NASA.gov/data-access/downloads/GPM）上获得，其在60°N-S纬度带内具有较高的空间分辨率（0.1°times;0.1°）和时间分辨率（半小时）。根据校准时间，IMERG提供三种产品：近实时“早期”运行和“晚期”运行产品，以及后实时“最终”运行产品。IMERG“早期”运行（以下简称为IMERG-E）和“晚期”运行（以下简称为IMERG-L）产品分别在观察时间后约4小时和12小时释放，而IMERG“最终”运行（以下简称为IMERG-F）通过全球降水气候学中心（GPCC）降水量计分析的气候校正（Hou等人，2014；Huffman等人，2014），产品在观测月后约2个月发布。2014年3月12日上市的IMERG-F产品已于2015年初发布;分别于2015年3月14日和4月1日上市的IMERG-E和IMERG-L产品也已于近期发布。

对于最新的GPM IMERG产品，Tang等人（2016a）在不同的时空尺度上对中国大陆的IMERG-F和TMPA产品进行了评估和相互比较，发现IMERG-F产品在大多数情况下都优于TMPA产品；郭等人（2016）对校准和未校准的IMERG产品进行了相互比较，还发现校准的IMERG产品的性能优于TMPA产品。对于水文模拟，Tang等人（2016b）也发现，在中国南部赣江流域的许多情况下，IMERG-F产品优于TMPA 3B42V7和RT产品。目前，IMERG产品具有降水相关应用的初步潜力，但对产品“早期”、“晚期”和“最终”运行的相互比较研究仍然很少，尤其是在中国；此外，由于近实时IMERG产品可以提供比TMPA更准确、更及时的降水量，因此评估近实时的IMERG-E和IMERG-L产品在洪水预报等应用中的水文模拟效用也是有意义和必要的；此外，与具有18年累积降水数据的IMERG产品的前身TMPA 3B42-V7产品相比IMERG产品的优势还有待进一步探索。

因此，本研究的主要目的是1）与3B42-V7产品相比，评估IMERG-E、IMERG-L和IMERG-F产品的准确性和性能；2）在中国南方中型流域北江流域的两种情况（即分别基于量规的校准和基于3B42的校准）下，评估合比较四个SPPs（即IMERG-e、IMERG-L、IMERG-F和3B42-V7产品）的水文模拟效用。本研究可望为近实时和后实时IMERG产品的使用提供参考。

北江是珠江的第二大支流，年平均流量为4.27times;1010m3。北江流域位于中国南方广东省北部112.1°E-114.7°E、23.5°N-25.7°N范围内，石角水文站上游约有38672km2的流域面积。该盆地具有复杂的南北倾斜地形，海拔从minus;48米至1876米（图1）。研究区为典型的岩溶地貌区，岩溶地貌约占总面积的30%，主要分布在该区西北部。该地区位于南海附近的南部沿海地区，属典型的亚热带湿润季风气候，年平均降水量约为1844mm。此外，由于该地区地形复杂，岩溶地貌，夏季降水集中，洪涝灾害频发，尤其是下游地区(Wu et al，2015)。更糟糕的是，严重的洪涝灾害甚至威胁到了中国南方人口最多、经济最繁荣的珠江三角洲地区，因此分析北江流域降水和径流特征具有重大意义。如图1所示，地面观测站分布略不均匀，分布稀疏，整个流域由石角站控制，为分析SPPs的性能提供了有利条件。

中国融合的逐时降水产品V1.0（Shen et al.，2014）（以下简称CMPA），一种高空间（0.1°times;0.1°）和时间（每小时）分辨率的仪表卫星合并降水产品，由中国气象局国家气象信息中心（CMA）开发被选为评估卫星降水产品的基准。CMPA由中国大陆超过30000个自动气象站（AWS）的每小时雨量计观测结果生成，然后通过概率密度函数最优插值（PDF-OI）方法与国家海洋和大气管理局（NOAA）CMORPH卫星降水产品合并（Shen et al.，2014）。由于华南地区AWS的高密度（我们研究区域约211个AWS，见图2）和源数据的严格质量控制，CMPA不仅具有可比的空间再解，而且在研究区域具有较高的精度和可靠性；此外，用于3B42-V7和IMERG产品偏差校正的计量站不包括用于开发CMPA的AWS，因此CMPA产品适用于产品评估中的参考。Shen等人（2014）的研究中描述了CMPA产品质量控制和开发的更多细节。在本研究中，2014-2015年每小时CMPA数据来自中国气象数据共享服务系统(http://cdc.nmic. cn），然后分别累积到与IMERG和3B42-V7产品对应的每日量表中。

由于CMPA产品仅在2008年可用，作为补偿，我们从研究区域的44个测量站收集了1998-2006年的每日降水数据，用于校准VIC水文模型。此外，水文模拟所需的其他气象数据，如气温、风速、蒸汽压等，均来自研究区域内或周围的15个气象站，这些数据也由CMA发布。石角站1998-2006年和2014-2015年的每日径流观测数据来自广东省水文局。(http://www.gdsw.gov.cn)为水文模拟提供了参考标准。

TMPA产品设计目的是结合来自不同卫星系统上各种传感器的降水量估计以及地面雨量计观测，以提供“最佳”准全球3小时定量降水量估计。最新的V7版本近实时3B42RT和后实时3B42-V7产品可在美国宇航局网站(pmm.nasa.gov/data访问/下载/trmm)获得，在全球50°N-S纬度范围内的空间分辨率为0.25times;0.25°。3B42RT产品直接来自经校准的无源微波（PMW）数据和经卫星PMW校准的红外（IR）数据的组合；3B42RT产品来源于经过校准的被动微波(PMW)数据和卫星PMW校准的红外(IR)数据的组合；3B42-V7产品通过偏差调整与全球降水气候学中心(GPCC)的月度计量降水分析合并，因此比3B42-V7产品更晚推出(Huffman et al.2007和2009)。

GPM3级IMERG-E、IMERG-L和IMERG-F产品可以从NASA网站(pmm.NASA.gov/data access/downloads/GPM)下载，该网站以0.1°times;0.1°的空间尺度在60°S-60°N之间提供，以及包括半小时、3小时、每日等多种时间尺度提供。IMERG-E和IMERG-L产品分别于2015年3月14日和4月1日开始提供，而

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